楊振恒，胡宗全，熊 亮，丁江輝，申寶劍，史洪亮，盧龍飛，魏力民，李志明

（1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無(wú)錫214126；2.中國(guó)石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214126；3.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214126；4.國(guó)家能源頁(yè)巖油研發(fā)中心，江蘇無(wú)錫214126；5.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083；6.中國(guó)石化西南油氣分公司，四川成都610041）

頁(yè)巖氣是指主要以游離態(tài)、吸附態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層中的天然氣，屬于典型的“自生自儲(chǔ)”型天然氣資源[1-3]。作為頁(yè)巖氣形成與富集的主體，頁(yè)巖兼具烴源巖和儲(chǔ)層的雙重屬性，因此，有必要將作為頁(yè)巖氣源的有機(jī)質(zhì)和儲(chǔ)集頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層看作一個(gè)“源儲(chǔ)”系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行研究[4-5]。運(yùn)用“源儲(chǔ)耦合”的研究思路，分析頁(yè)巖“源”與“儲(chǔ)”之間的內(nèi)在關(guān)系，這樣就更能深入地認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣形成與富集機(jī)理。

經(jīng)過(guò)多年的勘探實(shí)踐，在四川盆地及其周緣的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖地層中取得重大突破，發(fā)現(xiàn)了焦石壩等中淺層頁(yè)巖氣田（主體埋深小于3 500 m）[6-9]。目前，川南地區(qū)已成為中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)[10-12]。在該地區(qū)，五峰組—龍馬溪組埋深普遍在3 500 m以上，有的地方甚至超過(guò)4 500 m。針對(duì)川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組深層頁(yè)巖氣，特別是在“源儲(chǔ)耦合”特征等方面，還缺乏深入系統(tǒng)的研究。

以中國(guó)石化川南X 井取心段頁(yè)巖為研究對(duì)象，基于巖心觀察、地化分析、X衍射、物性測(cè)試、氬離子拋光—掃描電鏡和生烴模擬等多種測(cè)試研究手段，運(yùn)用“源儲(chǔ)耦合”研究思路，探討“源儲(chǔ)耦合”下的富集高產(chǎn)規(guī)律，以期為該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探和開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)性理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

川南X 井是位于中國(guó)石化威榮頁(yè)巖氣區(qū)塊的1口高產(chǎn)井，壓裂試氣產(chǎn)量約為26×104m3/d，威榮頁(yè)巖氣區(qū)塊位于川西南古隆起構(gòu)造低緩區(qū)，整體表現(xiàn)為向斜（圖1）。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組沉積主要受控于受加里東運(yùn)動(dòng)影響的三個(gè)古隆起，即川中古隆起、黔中古隆起和康滇古陸[13-14]。晚奧陶世凱迪期海平面快速上升，受海水底部滯流的影響，在該地區(qū)主體沉積了五峰組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖；晚奧陶世赫南特早期—早志留世魯?shù)て冢ㄖ械貐^(qū)構(gòu)造隆升，黔中水下低隆起上升，最終形成古陸，與康滇古陸形成三隆夾一凹的閉塞海灣沉積格局[10-16]，于是在該地區(qū)主體形成了五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置Fig.1 Location of study area

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組底部整體埋深為3 500～3 860 m，其中，底板為臨湘組灰白色瘤狀灰?guī)r。五峰組（O3w）根據(jù)電性和巖性分為2 段：下段發(fā)育灰黑色含放射蟲(chóng)碳質(zhì)筆石頁(yè)巖，局部層段夾薄層或條帶狀鉀質(zhì)斑脫巖；上段為灰黑—黑色含生屑含碳灰質(zhì)泥巖，含赫蘭特貝。龍馬溪組（S1l）巖性總體以灰黑色、黑色碳質(zhì)筆石頁(yè)巖、碳質(zhì)放射蟲(chóng)筆石頁(yè)巖為主，向上砂質(zhì)含量增多，漸變?yōu)榛揖G色頁(yè)巖夾粉砂質(zhì)條帶、深灰色泥巖。龍馬溪組下部黑色碳質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐富，富含筆石。根據(jù)巖性、電性、筆石帶分布規(guī)律、TOC（總有機(jī)碳含量）含量變化以及含氣性等特征，將X井五峰組—龍馬溪組底部細(xì)分為9個(gè)小層（圖2），其中①—④小層是當(dāng)前開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的核心層段，針對(duì)①—④小層實(shí)施水平井鉆井和壓裂改造，往往能獲得高產(chǎn)氣流，著重對(duì)比研究①—④和⑤—⑨小層的儲(chǔ)層耦合特征，以期揭示①—④小層富集高產(chǎn)的機(jī)理。

圖2 X井五峰組—龍馬溪組1段小層劃分Fig.2 Division of first member in Wufeng-Longmaxi Formation of well-X

2 烴源巖特征

川南奧陶—志留系為海相沉積，干酪根生物組合主要為低等水生動(dòng)物和菌藻植物，烴源巖有機(jī)質(zhì)類型是由低等水生浮游生物和藻類所形成的腐泥型有機(jī)質(zhì)，以Ⅰ型干酪根為主[16]。對(duì)X井五峰組—龍馬溪組底部頁(yè)巖開(kāi)展了干酪根鏡檢實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果顯示干酪根鏡下以腐泥無(wú)定形體和藻類體的腐泥組為主（圖3）。腐泥無(wú)定形體含量占比在68%～95%，平均為86%；浮游藻類體含量占比5%～32%，平均為14 %。腐泥組占比在95 %以上，干酪根指數(shù)為100，為典型的腐泥型干酪根。

圖3 X井五峰組—龍馬溪組底部（③小層）頁(yè)巖干酪根鏡檢照片F(xiàn)ig.3 Microscopic examination of shale kerogen at the bottom in Wufeng-Longmaxi Formation of Well-X（layer③）

X井取樣測(cè)試數(shù)據(jù)表明，五峰組—龍馬溪組底部頁(yè)巖TOC介于0.06%～6.04%，平均為2.26%；TOC含量縱向分段差異性明顯，①—④小層TOC含量介于1.43%～6.04%，平均為2.84%，⑤—⑨小層TOC含量介于0.06%～1.83%，平均為0.79%，自下而上TOC含量逐漸減少（圖2）。X井實(shí)測(cè)瀝青反射率（Rb）介于2.62%～2.75%，平均為2.69%，而通過(guò)換算公式Ro（鏡質(zhì)體反射率）=0.346+0.668×Rb進(jìn)行計(jì)算得出的Ro介于2.10%～2.20%，平均為2.15%，這表明該區(qū)目的層五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖處于高成熟階段，以生成干氣為主。

3 儲(chǔ)層特征

3.1 孔隙及發(fā)育特征

X井孔隙度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度介于2.15%～10.05%，平均為6.50%，總體上，由淺至深、逐漸變好?？v向上，⑤—⑨小層孔隙度在1.08%～5.99%，平均為2.91%；①—④小層孔隙度在1.68 %～10.05 %，平均為6.07 %，其中①—②小層均值在6.94%以上，③—④小層均值為7.17%。

通過(guò)氬離子拋光掃描電鏡鏡下識(shí)別，X 井五峰組—龍馬溪組①—⑨小層基質(zhì)孔主要包括無(wú)機(jī)孔和有機(jī)孔。無(wú)機(jī)孔類型多樣，主要有礦物粒間孔、黏土礦物轉(zhuǎn)化孔、長(zhǎng)石蝕變孔，以及晶間微孔隙等（圖4a—圖4h）。而頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙發(fā)育程度并不相同，部分有機(jī)孔具有特殊的纖網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)（圖4i—圖4j）。

3.2 吸附特征

前人研究表明，吸附態(tài)是頁(yè)巖氣賦存的主要方式之一[1-3]。等溫吸附實(shí)驗(yàn)是描述頁(yè)巖吸附能力大小的重要手段，而頁(yè)巖等溫吸附曲線是描述頁(yè)巖吸附儲(chǔ)存氣體能力的曲線，在恒溫下頁(yè)巖的吸附氣量是壓力的函數(shù)[17]。

圖4 X井孔隙發(fā)育類型Fig.4 Pore development types in well-X

根據(jù)模擬地層溫度（110 ℃）和蘭氏體積等數(shù)據(jù)，推算地層壓力條件下的泥頁(yè)巖吸附氣量。結(jié)果顯示，X 井五峰組—龍馬溪組①—⑨小層泥頁(yè)巖地層溫度吸附氣量在0.02～2.51 m3/t，平均為0.95 m3/t，其中，①—④小層泥頁(yè)巖地層溫度吸附氣量在0.57～2.51 m3/t，平均為1.25 m3/t；⑤—⑨小層泥頁(yè)巖地層溫度吸附氣量在0.02～0.77 m3/t，平均為0.35 m3/t（表1）。

3.3 滲透率及可壓性

X井五峰組—龍馬溪組①—⑨小層頁(yè)巖滲透率介于（0.000 1～128）×10-3μm2，平均為4.64×10-3μm2。其中，①—④小層頁(yè)巖滲透率在（0.000 4～128）×10-3μm2，平均為6.71×10-3μm2；⑤—⑨小層頁(yè)巖滲透率在（0.000 1～2.12）×10-3μm2，平均為0.38×10-3μm2?？v向上，滲透率隨深度增加有變大趨勢(shì)，特別是③小層底部，滲透率最大。

表1 X井小層等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Table1 Test data of isothermal adsorption experiment in well-X

脆性指數(shù)（BRIT）是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要參數(shù)，其與頁(yè)巖中的石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石等脆性礦物密切相關(guān)。對(duì)于礦物組成復(fù)雜的頁(yè)巖，其脆性指數(shù)可按照如下公式計(jì)算：

式中：V（石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽）為石英、長(zhǎng)石與碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)之和；V（全部礦物）為全部礦物的體積分?jǐn)?shù)。

基于公式（1）對(duì)X井五峰—龍馬溪底部泥頁(yè)巖脆性指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示，①—⑨小層BRIT平均值為54.2，①—④小層BRIT平均值為59.5，⑤—⑨小層BRIT平均值為34.3，其中，①—④小層可壓性明顯占優(yōu)（表2）。

表2 X井小層滲透率和BRIT數(shù)據(jù)Table2 Permeability and BRIT data of small layer in well-X

4 源儲(chǔ)耦合特征

4.1 源優(yōu)質(zhì)，生氣量巨大

有機(jī)質(zhì)是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)豐度控制著頁(yè)巖生烴量的多少，決定著頁(yè)巖的生烴強(qiáng)度[19]。熱模擬實(shí)驗(yàn)是烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)的重要手段，可再現(xiàn)地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)熱解演化過(guò)程[20-22]。由于五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖樣品成熟度較高，無(wú)法再現(xiàn)從低成熟到高成熟的熱模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，因此，選取廣元上二疊統(tǒng)大隆組低成熟富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖進(jìn)行生烴量模擬，該樣品有機(jī)質(zhì)類型和礦物組成與X井五峰組—龍馬溪組底部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖具有相似性（表3）。

表3 模擬樣品與X井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)地化參數(shù)及礦物組成對(duì)照Table3 Comparison between simulated samples and shale organic geochemical parameters and mineral composition of Wufeng-Longmaxi Formation shale in well-X%

熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高過(guò)成熟階段，該樣品的總生氣量約為20.0 m3/t（圖5）。根據(jù)X井各小層平均實(shí)測(cè)TOC反推X 井不同層段的原始TOC，再根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算各小層的平均生烴量，計(jì)算結(jié)果顯示，①—⑨小層生氣量在0.27～28.57 m3/t，平均為10.7 m3/t，①—④小層生氣量在6.72～28.57 m3/t，平均為14.0 m3/t（圖6）。根據(jù)超臨界甲烷流體性質(zhì)模型計(jì)算的頁(yè)巖氣含量①—⑨小層平均為5.87 m3/t，①—⑨小層現(xiàn)今滯留氣量?jī)H為生氣量的54.8%，這說(shuō)明①—⑨小層生烴氣量遠(yuǎn)大于滯留的天然氣量，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組底部甜點(diǎn)頁(yè)巖層具有生氣量大的特征。

圖5 模擬低成熟頁(yè)巖生烴量隨等效Ro變化Fig.5 Simulated low-mature shale hydrocarbon generation changes with equivalent Ro

圖6 基于生烴模擬反演X井不同小層的生氣量Fig.6 Inversion of gas production in different small layers of well-X based on hydrocarbon generation simulation

4.2 儲(chǔ)集、賦存及物性特征

4.2.1 基質(zhì)以無(wú)機(jī)孔為主，有機(jī)孔是重要的補(bǔ)充

根據(jù)有機(jī)碳含量與基質(zhì)孔隙度的模型，推算出各小層頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)孔與無(wú)機(jī)孔的百分含量[23]。整體而言，X 井基質(zhì)孔隙主要以無(wú)機(jī)孔隙為主，無(wú)機(jī)孔占比在21.3%～98.9%，平均為75.0%：有機(jī)孔占比介于1.07%～78.7%，平均為25%。①—④小層無(wú)機(jī)孔占比為67.8%，有機(jī)孔占比為32.2%；⑤—⑨小層無(wú)機(jī)孔占比為89.9 %，有機(jī)孔占比為10.1 %。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，①—④和⑤—⑨小層無(wú)機(jī)孔分別為4.9%和4.7%，差別不大，但是①—④小層有機(jī)孔為2.2%，⑤—⑨小層有機(jī)孔為0.6%，①—④小層孔隙度的增加主要源自有機(jī)孔發(fā)育程度的增加（圖7、表4）。

表4 X井小層有機(jī)孔和無(wú)機(jī)孔參數(shù)對(duì)比Table4 Comparison of parameters between organic pores and inorganic pores in small layer of well-X %

4.2.2 賦存特征與含氣量

圖7 X井孔隙度和TOC關(guān)系及孔隙類型Fig.7 Relation between porosity and TOC of well-X and its pore type

HAO、ZHOU和王飛宇等國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者針對(duì)頁(yè)巖氣提出了吸附氣、游離氣預(yù)測(cè)賦存模型[24-26]。重點(diǎn)基于重量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)，分析了TOC含量、溫度、濕度對(duì)吸附能力的影響，通過(guò)建立主因素與吸附能力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)獲取埋藏條件下的吸附氣量；另外，通過(guò)總孔隙空間扣除孔隙水和吸附氣占據(jù)空間來(lái)厘定游離氣占據(jù)空間，并基于甲烷狀態(tài)（PR）方程獲取游離氣密度，從而構(gòu)建埋藏條件下游離氣賦存計(jì)算方法，這一方法在焦石壩焦頁(yè)1 井得到成功的應(yīng)用[27]。根據(jù)上述方法，對(duì)X井進(jìn)行了游離氣和吸附氣占比預(yù)測(cè)，研究結(jié)果表明，X井以游離氣為主，①—⑨小層總含氣量為5.8 m3/t，平均游離氣含量為4.8 m3/t，占比為82.8 %，平均吸附氣含量為1.0 m3/t，占比為17.2%。因此，X井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中游離氣是主體，吸附氣是重要的補(bǔ)充（表5）。根據(jù)模型計(jì)算的①—⑨小層平均含氣量為5.8 m3/t，⑤—⑨小層平均含氣量為3.8 m3/t，①—④小層平均含氣量為6.8 m3/t。

表5 X井游離氣和吸附氣小層對(duì)比Table5 Comparison of small layers of free gas and adsorbed gas in well-X

4.2.3 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的滲透率及可壓性

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，水平井+體積壓裂技術(shù)對(duì)于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，因此，壓裂層段必須具有較好的可壓性才能實(shí)現(xiàn)體積改造，也就是說(shuō)，所選擇的壓裂層段需要富含脆性礦物。水力壓裂產(chǎn)生的裂縫主要是較大尺度的縫隙，頁(yè)巖氣層要想高產(chǎn)，必須有相對(duì)較高的基質(zhì)滲透率。

X井①—④小層頁(yè)巖滲透率平均值為6.71×10-3μm2，⑤—⑨小層頁(yè)巖滲透率平均值為0.38×10-3μm2，①—④小層頁(yè)巖平均滲透率是⑤—⑨小層頁(yè)巖平均滲透率的17.7 倍。X 井①—④小層甜點(diǎn)層段巖性主要以黑色碳質(zhì)頁(yè)巖為主，富含筆石，紋層發(fā)育。實(shí)驗(yàn)分析表明紋層越發(fā)育，其對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層滲透率也相對(duì)越高[23]，這暗示富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的紋層對(duì)滲透率意義重大。

X 井①—④小層BRIT平均為59.5%，⑤—⑨小層BRIT平均為34.3%，①—④小層的脆性礦物含量較高，其中，硅質(zhì)礦物占有很大比例。據(jù)研究，五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖Al、Ti、Zr等多種元素的平面分布特征能夠進(jìn)一步反映出陸源碎屑輸入較少，且海底的熱液活動(dòng)也極為有限，指示頁(yè)巖中硅質(zhì)主要來(lái)源于放射蟲(chóng)生物骨架，這為該段硅質(zhì)頁(yè)巖的生物質(zhì)成因提供了證據(jù)[28-30]。結(jié)果表明，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的硅質(zhì)主要源于生物質(zhì)成因，生物質(zhì)成因的硅質(zhì)礦物提高了頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性，易于壓裂造縫，進(jìn)而促進(jìn)氣井高產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）X井在五峰組—龍馬溪組底部頁(yè)巖干酪根類型為腐泥型，富含有機(jī)質(zhì)，自上而下TOC含量逐漸增加，處于高成熟階段。孔隙度總體上由淺至深逐漸變大，儲(chǔ)集空間類型主要包括無(wú)機(jī)孔和有機(jī)孔，無(wú)機(jī)孔發(fā)育程度高且類型多樣，主要有礦物粒間孔、黏土礦物轉(zhuǎn)化孔、長(zhǎng)石蝕變孔和晶間微孔等。泥頁(yè)巖地層溫度條件下吸附氣含量平均為0.9 m3/t，滲透率平均為4.64×10-3μm2，縱向上，滲透率隨深度增加有變大趨勢(shì)，整體可壓性較好。

2）運(yùn)用“源儲(chǔ)耦合”思路研究表明，目的層“源”優(yōu)質(zhì)，生氣量大，現(xiàn)今滯留氣量?jī)H為生氣量的54.8%。儲(chǔ)集空間以無(wú)機(jī)孔為主，占比可達(dá)75.0%，有機(jī)孔是主要的儲(chǔ)集空間之一，生烴后殘余的有機(jī)質(zhì)是有機(jī)孔發(fā)育的主要載體。目的層段頁(yè)巖氣以游離氣為主。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的紋層提高了儲(chǔ)層的滲透率，并且豐富的生物質(zhì)成因硅質(zhì)礦物，增加了儲(chǔ)層的脆性，易于壓裂造縫，最終為該層段壓裂高產(chǎn)提供了可能。

致謝：該論文部分原始數(shù)據(jù)引用了中國(guó)石化西南油氣公司、中國(guó)石化勘探分公司，江漢油田分公司等單位的資料和成果，在此表示衷心感謝！